UVMS机器人系统的仿生设计与自主作业方法研究

水下作业机器人UVMS，特别是小型UVMS系统，其研究和应用面临许多难题，如未知水动力因素造成系统模型的不确定性，系统模型的复杂性，系统冗余，悬停控制，潜器和机械臂的动力学耦合等。因此，本课题将水下仿生推进系统和水下作业系统相结合，基于水下动物推进机理设计新型水下仿生作业机器人系统，并深入研究其控制、优化、自主作业的理论和方法，进行实验验证。经过4年深入细致的研究，主要获得以下研究结果：.在机构方面，先后设计、开发并改进了3代水下仿生机器人本体和2代水下作业臂的本体结构。最新的水下仿生作业机器人系统由两个仿生推进器模块、本体模块和作业臂模块组成。所设计的4自由度作业臂阻力小，适合快速运动，极大降低了作业臂快速运动与本体位姿的耦合影响。.在规划和运动控制方面，建立了仿生波动鳍推进系统的运动学模型，提出了多模态三维水下运动控制方法，实现了前进、后退、侧移、浮潜、转向、旋转等等基本运动；构建了基于模糊推理的推力和力矩―行波参数映射模型，提出了基于ADRC和映射模型的深度和航向控制方法、基于视线导航的三维路径跟踪控制方法。提出了一种RDDH实时路径规划方法和基于该规划算法的移动目标趋近路径规划方法。.在水下抓取控制方面，分析并建立了水下作业臂运动学方程，设计了作业臂的逆运动学算法，分析了作业臂和本体间的耦合；建立了双目视觉测量系统，提出了基于双目视觉的水下目标自动抓取控制算法，并实验验证了对特定颜色标记的球形目标的自动抓取。.在系统集成方面，研制完成新一代水下仿生移动作业臂系统RoboCutt-I。在RoboCutt-I机器人上完成了航向、深度、路径跟踪等运动实验验证，完成了水下目标的趋近、自主抓取。.在自然基金的支持下，本项目最终研制完成水下仿生移动作业臂系统1台，在IEEE Trans.等期刊和会议上发表论文16篇，其中SCI收录6篇，EI收录8篇；申请并被受理3项国家发明专利。